Превратим рачка в светлячка: микроскопический светящийся сенсор поможет распознать стресс у байкальских рачков

Ученые разработали светящийся сенсор, который позволяет быстро и безболезненно оценить кислотность внутренней среды организма байкальских рачков. Изменение этого показателя может указывать на то, что ракообразное испытывает стресс, например, из-за повышения температуры воды. Предложенный подход поможет отслеживать влияние климатических изменений на обитателей водоемов и оценивать возможные угрозы биоразнообразию. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Photonics.

Озеро Байкал — крупнейший резервуар пресной воды на планете, а также ценная экосистема с богатым видовым разнообразием животных и растений. Особое место в экосистеме Байкала занимают рачки-амфиподы, поскольку они служат источником пищи для многих рыб, а также поддерживают качество озерной воды благодаря способности ее фильтровать. Глобальные климатические изменения, в частности, повышение температуры у поверхности воды, могут негативно повлиять на состояние и численность обитателей Байкала, привыкших жить в прохладных водах. Так, например, рачки вида Eulimnogammarus verrucosus, которые в больших количествах встречаются в прибрежной части озера, плохо переносят температуры выше 12°С и в летнее время даже мигрируют в более глубокие и холодные места.

Чтобы оценить физиологическое состояние морских обитателей и определить, испытывают ли они стресс, ученые все чаще используют имплантируемые оптические датчики — молекулярные комплексы, которые при помещении в живые ткани светятся в разных длинах волн в зависимости от химического состава среды. Интересующее животное, например, рачка, отлавливают, вводят в его ткани датчик, после чего помещают в условия, воздействие которых хотят изучить. Такой подход позволяет выявить изменения в содержании молекул, участвующих в обмене веществ, гормонов и ионов, а также колебания кислотности среды. Однако, чтобы получить сигнал от существующих сегодня датчиков, приходится освещать ткани, в которые они помещены, ярким видимым светом, а это может навредить животным маленького размера — таким как рачки.

Биологи из Иркутского государственного университета (Иркутск) совместно с коллегами из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) разработали сенсор, позволяющий минимизировать стрессовое воздействие на животное при измерении оптического сигнала. За основу ученые взяли микрочастицы, способные возбуждаться при действии инфракрасного излучения, и в ответ на него испускать свет в видимой области спектра. Помимо них, в состав сенсора включили краситель, реагирующий на изменение кислотности среды. Дело в том, что кислотность важно контролировать для стабильной работы белковых молекул в живом организме, например для лучшей активности ферментов, трансмембранных ионных каналов клеток, а также для переноса кислорода гемоглобином крови или гемоцианином у ракообразных.

Микрочастицы и краситель ученые поместили в пористый гель, который служил носителем. Полученный трехкомпонентный сенсор с помощью игл ввели в мышцы байкальских рачков Eulimnogammarus verrucosus. Последующая проверка «светимости» животных при воздействии инфракрасных лучей подтвердила работоспособность датчика. При этом важное достоинство предложенного сенсора заключается в том, что излучение, которому подвергаются рачки с имплантированным сенсором, совершенно безопасно. Это объясняется тем, что, в отличие от яркого видимого света, который необходим для работы других подобных устройств, используемый в данном сенсоре диапазон не приводит к повреждению тканей и стрессу для животного, а ощущается им лишь как слабое тепло.

Кроме того, ученые проследили с помощью сенсоров за тем, как изменяется кислотность в тканях рачков при изменении температуры воды. Для этого исследователи поместили ракообразных в воду, температура которой постепенно — в течение четырех дней — повышалась от 6°C до 26°С. Оказалось, что по мере потепления окружающей среды происходило закисление тканей животных, что указывает на биохимические процессы, происходящие в организме при стрессовых условиях.

«Разработанный нами сенсор позволил без вреда и излишнего беспокойства для исследованных ракообразных оценить стрессовое воздействие, которое оказывает на них потепление воды в прибрежной зоне озера Байкал. Эта технология поможет лучше понять угрозы, которые может нести жителям водоемов потепление озерной воды из-за глобальных климатических изменений. В дальнейшем мы планируем расширить количество оцениваемых метаболических параметров: сейчас ведем работы по сенсорам для определения уровня глюкозы и тканевой доступности для кислорода. Мы уверены, что со временем подкожные или тканевые сенсоры полностью заменят существующие травмирующие методики, требующие отбора образцов живой ткани», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Максим Тимофеев, доктор биологических наук, профессор биолого-почвенного факультета Иркутского государственного университета.